基于IIS總線的嵌入式音頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：介紹了基于IIS總線的嵌入式音頻設(shè)備的硬件體系結(jié)構(gòu)及其Linux驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)。在音頻驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)綜合使用了DMA、分段多緩存區(qū)和內(nèi)存映射技術(shù)以提高系統(tǒng)性能，滿足音頻實(shí)時(shí)性的要求。

嵌入式音頻系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于GPS自動(dòng)導(dǎo)航、PDA、3G手機(jī)等嵌入式領(lǐng)域，但目前國(guó)內(nèi)在這方面的研究較少。

音頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括軟件設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)兩方面，在硬件上使用了基于IIS總線的音頻系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。IIS(Inter-IC Sound bus)又稱(chēng)I2S，是菲利浦公司提出的串行數(shù)字音頻總線協(xié)議。目前很多音頻芯片和MCU都提供了對(duì)IIS的支持。

在軟件上，作為一個(gè)功能復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)，需要有嵌入式操作系統(tǒng)支撐。Linux是一個(gè)源代碼開(kāi)放的類(lèi)UNIX系統(tǒng)，由于其具有內(nèi)核可裁剪性，且提供對(duì)包括ARM、PPC在內(nèi)的多種嵌入式處理器的支持，所以廣泛應(yīng)用于嵌入式高端產(chǎn)品中。雖然Linux提供了眾多API來(lái)降低驅(qū)動(dòng)程序制作的復(fù)雜度，但是由于音頻應(yīng)用對(duì)實(shí)時(shí)性有很高的要求，且需要處理的數(shù)據(jù)量較大，所以必須合理分配資源，使用合適的算法。本文針對(duì)三星公司的S3C44B0 ARM處理器構(gòu)造了基于lis的音頻系統(tǒng)，并介紹了該音頻系統(tǒng)基于Linux2．4．0內(nèi)核的驅(qū)動(dòng)程序構(gòu)造技術(shù)。

1 硬件體系結(jié)構(gòu)

IIS總線只處理聲音數(shù)據(jù)。其他信號(hào)(如控制信號(hào))必須單獨(dú)傳輸。為了使芯片的引出管腳盡可能少，IIS只使用了三根串行總線。這三根線分別是：提供分時(shí)復(fù)用功能的數(shù)據(jù)線、字段選擇線(聲道選擇)、時(shí)鐘信號(hào)線。

在三星公司的ARM芯片中，為了實(shí)現(xiàn)全雙工模式，使用了兩條串行數(shù)據(jù)線，分別作為輸入和輸出。此外三星公司的IIS接口提供三種數(shù)據(jù)傳輸模式：

· 正常傳輸模式。此模式基于FIFO寄存器。該模式下CPU將通過(guò)輪詢(xún)方式訪問(wèn)FIFO寄存器，通過(guò)IISCON寄存器的第七位控制FIFO。

· DMA模式。此模式是一種外部設(shè)備控制方式。它使用竊取總線控制權(quán)的方法使外部設(shè)備與主存交換數(shù)據(jù)，從而提高系統(tǒng)的吞吐能力。

在三星公司的ARM芯片中有4個(gè)通道DMA控制器用于控制各種外部設(shè)備，其中IIS與其他串行外設(shè)共用兩個(gè)橋聯(lián)DMA(BDMA)類(lèi)型的DMA通道。通過(guò)設(shè)置CPU的IISFCON寄存器可以使IIS接口工作在DMA模式下。此模式下FIFO寄存器組的控制權(quán)掌握在DMA控制器上。當(dāng)FIFO滿時(shí)，由DMA控制器對(duì)FIFO中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。DMA模式的選擇由IISCON寄存器的第四和第五位控制。

· 傳輸／接收模式。該模式下，IIS數(shù)據(jù)線將通過(guò)雙通道DMA同時(shí)接收和發(fā)送音頻數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)使用該數(shù)據(jù)傳輸模式。

圖1是44BOX芯片與菲利浦公司的UDAl341TS音頻芯片的連接示意圖。

在這個(gè)體系結(jié)構(gòu)中，為了實(shí)現(xiàn)全雙工，數(shù)據(jù)傳輸使用兩個(gè)BDMA通道。數(shù)據(jù)傳輸(以回放為例)先由內(nèi)部總線送到內(nèi)存，然后傳到BDMA控制器通道0，再通過(guò)IIS控制器寫(xiě)入IIS總線并傳輸給音頻芯片。通道1用來(lái)錄音。

三星公司的BDMA控制器沒(méi)有內(nèi)置的存儲(chǔ)區(qū)域，在驅(qū)動(dòng)程序中必須為音頻設(shè)備分配DMA緩存區(qū)。緩存區(qū)的地址在通道DMA控制器的地址寄存器中設(shè)置。

UDAl341TS芯片除了提供IIS接口和麥克風(fēng)揚(yáng)聲器接口，還提供L3接口控制音量等。L3接口分別連到S3C44B0的3個(gè)通用數(shù)據(jù)輸出引腳上。

2 音頻設(shè)備底層軟件設(shè)計(jì)

嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)備種類(lèi)繁多，且缺乏PC中標(biāo)準(zhǔn)的體系結(jié)構(gòu)，所以必須為各種設(shè)備編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序。

驅(qū)動(dòng)程序的主要任務(wù)是控制音頻數(shù)據(jù)在硬件中流動(dòng)，并為音頻應(yīng)用提供標(biāo)準(zhǔn)接口。由于嵌入式系統(tǒng)資源有限，且處理器能力不強(qiáng)，所以在音頻設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)中，合理分配系統(tǒng)資源是難點(diǎn)。

需要注意的是，在三星公司的ARM芯片中，I／O設(shè)備的寄存器作為內(nèi)存空間的一部分，可以使用普通的內(nèi)存訪問(wèn)語(yǔ)句讀寫(xiě)I／O寄存器，進(jìn)而控制外部設(shè)備。這是該嵌入式系統(tǒng)與傳統(tǒng)的基于Intel處理器的PC最大的不同。

2．1 驅(qū)動(dòng)程序功能

設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中需要完成的任務(wù)包括：對(duì)設(shè)備以及對(duì)應(yīng)資源初始化和釋放；讀取應(yīng)用程序傳送給設(shè)備文件的數(shù)據(jù)并回送應(yīng)用程序請(qǐng)求的數(shù)據(jù)。這需要在用戶空間、內(nèi)核空間、總線及外設(shè)之間傳輸數(shù)據(jù)。

2．2 驅(qū)動(dòng)程序構(gòu)架

Linux驅(qū)動(dòng)程序中將音頻設(shè)備按功能分成不同類(lèi)型，每種類(lèi)型對(duì)應(yīng)不同的驅(qū)動(dòng)程序。UDAl341TS音頻芯片提供如下功能：

· 數(shù)字化音頻。這個(gè)功能有時(shí)被稱(chēng)為DSP或Codec設(shè)備。其功能是實(shí)現(xiàn)播放數(shù)字化聲音文件或錄制聲音。

· 混頻器。用來(lái)控制各種輸入輸出的音量大小，在本系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)L3接口。

在Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?qū)⒃O(shè)備看成文件，在驅(qū)動(dòng)程序中將結(jié)構(gòu)file_operations中的各個(gè)函數(shù)指針與驅(qū)動(dòng)程序?qū)��?yīng)例程函數(shù)綁定，以實(shí)現(xiàn)虛擬文件系統(tǒng)VFS對(duì)邏輯文件的操作。數(shù)字音頻設(shè)備(audio)、混頻器(mixer)對(duì)應(yīng)的設(shè)備文件分別是／dev／dsp和／dev／mixer。

2．3 設(shè)備的初始化和卸載

／dev／dsp的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)主要包含：設(shè)備的初始化和卸載、

【基于IIS總線的嵌入式音頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)】相關(guān)文章：

基于PCI總線的CAN卡的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)03-18

基于PXI總線的數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)03-07

基于CAN總線的汽車(chē)液晶儀表設(shè)計(jì)03-07

基于單片機(jī)的CAN智能總線節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)03-07

基于AVR的嵌入式在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)11-22

基于PLD的嵌入式系統(tǒng)外存模塊設(shè)計(jì)03-18

基于CAN總線的EV電控系統(tǒng)通信的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)03-19

基于ADμC812的CAN總線智能節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)03-19

基于USB總線的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)03-19